歐陽(yáng)的華，陳 昕，潘功配，朱晨光

（1. 武警工程大學(xué)裝備運(yùn)輸系，陜西 西安，710086； 2. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

利用含能材料燃燒或爆炸激勵(lì)強(qiáng)光輻射的性能可以制造光學(xué)彈藥[1]，而含能材料的配方組成將直接影響到其相關(guān)制品光輻射性能的好壞。氧差是決定含能材料各組分之間數(shù)量關(guān)系的重要依據(jù)，不同的氧差將產(chǎn)生不同的燃燒效果[2-5]。目前，國(guó)內(nèi)研究的強(qiáng)光彈藥劑主要是以高氯酸鉀和鋁粉為主，重點(diǎn)研究了影響光輻射強(qiáng)度的主要因素（如材料粒徑、微量添加劑）[6-8]，卻較少涉及氧差的影響研究[9-10]。本文以典型的Ba(NO3)2/Mg煙火藥為對(duì)象，在粘合劑含量不變的前提下，改變氧化劑和可燃劑的比例，得到不同氧差配方，測(cè)試了氧差對(duì)其光輻射強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣的制備

本試驗(yàn)以硝酸鋇為氧化劑、鎂粉為可燃劑、酚醛樹脂為粘合劑，配制了一系列不同氧差的煙火藥反應(yīng)體系，將各組分混合均勻過篩后，壓制成密度為1.8g/cm3、直徑為18mm的藥柱（5g），每個(gè)配方各5發(fā)（試驗(yàn)數(shù)據(jù)取其平均值），每發(fā)外圍裹上3圈醫(yī)用膠布，裝于殼體中用于試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用引線進(jìn)行點(diǎn)火。

1.2 試驗(yàn)方法

所用的測(cè)試儀器為西安應(yīng)用光學(xué)研究所研制的SGX-100型閃光有效光強(qiáng)測(cè)定儀（包括探測(cè)器、前置放大器、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩沖器、計(jì)算機(jī)等）及IGA-140非接觸式紅外測(cè)溫儀（德國(guó)IMPAC公司）。把制備好的樣品分別在測(cè)光塔中點(diǎn)燃，同時(shí)使用瞬態(tài)光強(qiáng)測(cè)試儀和紅外測(cè)溫儀記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試距離為1.3m。

2 結(jié)果與分析

在相同的測(cè)試條件下，不同氧差的煙火藥燃燒時(shí)火焰輻射的可見光光強(qiáng)（I）、燃燒溫度以及燃燒速度的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同氧差煙火藥的測(cè)試結(jié)果Tab.1 The test result of composition with different oxygen balance

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，做出不同氧差與可見光光強(qiáng)的關(guān)系曲線，如圖1所示。

由圖1可知，隨著氧差絕對(duì)值的增加，可見光平均光強(qiáng)逐漸增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)（氧差為-24g）開始下降。這主要是因?yàn)樵诔涵h(huán)境下，當(dāng)將硝酸鋇、鎂粉、酚醛樹脂煙火藥設(shè)計(jì)成負(fù)氧差時(shí)，由于鎂粉的熔點(diǎn)（650℃）和沸點(diǎn)（1 105℃）均較低，在高溫下易汽化并與空氣中的氧氣形成二次燃燒，使藥劑具有更高的燃燒熱效應(yīng)，進(jìn)而可獲得最佳的發(fā)光效率。

圖1 I與氧差的關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of I and oxygen balance

然而空氣中的氧是有限的，當(dāng)所設(shè)計(jì)的煙火藥的負(fù)氧差達(dá)到一定的程度時(shí)，帶有負(fù)氧差的煙火藥中多余的鎂不僅失去了二次燃燒的特性，而且還將吸收周圍的熱量，從而使該體系的燃燒熱值和發(fā)光效率大幅度降低，這也可由表1中的燃燒溫度和平均線性燃速的總體變化趨勢(shì)得到驗(yàn)證。

此外，氧差的改變會(huì)影響到凝聚相內(nèi)的樣品的熱分解物理化學(xué)過程，而當(dāng)含能材料穩(wěn)定燃燒時(shí)，凝聚相內(nèi)存在反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)性質(zhì)則會(huì)影響到燃燒特性[11]。正如文獻(xiàn)[5]所述，氧差的改變會(huì)使得燃燒所形成的火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而各燃燒層和輻射層的相對(duì)大小發(fā)生了變化，進(jìn)而也說明了氧差對(duì)煙火藥的光輻射強(qiáng)度具有較大的影響。

通過試驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，熱輻射誘導(dǎo)下煙火藥的發(fā)光強(qiáng)度與溫度有密切關(guān)系，發(fā)光強(qiáng)度高則溫度高，如圖2所示。

圖2 I、燃燒溫度和氧差的關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of I, temperature and oxygen balance

另一方面發(fā)光強(qiáng)度與燃燒時(shí)間有關(guān)，即發(fā)光強(qiáng)度高則持續(xù)時(shí)間較短，燃燒速度較快，如圖3所示。

圖3 I、燃速和氧差的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of I, burning rate and oxygen balance

3 結(jié)論

本文采用閃光有效光強(qiáng)測(cè)定儀對(duì)不同氧差的煙火藥的光輻射性能進(jìn)行了初步的研究，所得結(jié)論如下：

（1）藥劑的光輻射強(qiáng)度和燃燒溫度均隨著氧差絕對(duì)值的增大而增大，但增大到一定程度時(shí)（-24g）開始下降，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大光強(qiáng)為44.81kcd，燃燒溫度為1 379.9℃；

（2）藥劑的發(fā)光強(qiáng)度與溫度有著密切的關(guān)系，藥劑燃燒溫度高則發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)；另一方面發(fā)光強(qiáng)度與燃燒速度有關(guān)，發(fā)光強(qiáng)度越高則燃燒速度越快、燃燒時(shí)間越短。

[1]焦清介,馬威,許又文.閃光煙火劑強(qiáng)光輻射實(shí)驗(yàn)研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 20 (1): l29-l32.

[2]代淑蘭,賀增弟,肖忠良.負(fù)氧平衡發(fā)射藥膛口燃燒流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2011, 34(3): 69-71.

[3]賀增弟,劉幼平,何利明,等.發(fā)射藥氧平衡對(duì)槍口焰的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2008, 31 (6): 57-59.

[4]金韶華,王偉,松全才.氧平衡對(duì)含KClO4/NH4NO3復(fù)合氧化劑氣體發(fā)生劑燃燒速率的影響[J].含能材料,2008,16(2):207-208.

[5]程年壽,潘功配,關(guān)華.氧差對(duì)紅外照明劑火焰輻射的影響[J].含能材料, 2006, 14 (3): 215-217.

[6]霸書紅,焦清介,杜志明.強(qiáng)光致盲彈藥技術(shù)的研究[J].含能材料, 2006, 14 (2): 118-121.

[7]霸書紅,焦清介,任慧.鋁粉粒徑對(duì)閃光劑輻射強(qiáng)度的影響[J]. 含能材料, 2008, 16 (2): 219-221.

[8]霸書紅, 焦清介. 微量添加劑對(duì)閃光煙火藥輻射強(qiáng)度的影響[J]. 紅外技術(shù), 2008, 30 (6): 365-367.

[9]潘功配, 楊碩. 煙火學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社,1997.

[10]焦清介, 霸書紅. 煙火輻射學(xué)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

[11]希洛夫 著. 煙火藥火焰的發(fā)光[M]. 馬永利,譯:北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1959.